农业机械化及其自动化专业毕业论文--蔬菜嫁接机设计

一．市场调研

1.机械嫁接的必要性

嫁接用的砧木苗直径和接穗苗直径都较小，仅几毫米，并且幼苗脆嫩细弱，所以手工嫁接很耗费精力。而且，每个人所掌握的嫁接技术要领、手法及熟练程度不同，难以保证较高的嫁接质量和较高的成活率。．由于嫁接费工费时，有些地区出现了放弃嫁接栽培的现象，而靠大量施用农药防病治病。这样，不但造成了资源和财物浪费，更严重的是污染了蔬菜，破坏了生态环境，对人类健康构成威胁。蔬菜的手工嫁接技术，效率低、劳动强度大、嫁接苗成活率难以保证，因此已远远不能适应我国农业生产的要求。在我国，发展机械化、自动化的嫁接技术势在必行。

机械嫁接技术，是近年在国际上出现的一种集机械、自动控制与园艺技术于一体的高新技术。它可在极短的时间内，把蔬菜苗茎秆直径为几毫米的砧木、接穗的切口嫁接为一体，使嫁接速度大幅度提高；同时由于砧、穗接合迅速，避免了切口长时间氧化和苗内液体的流失，从而大大提高嫁接成活率。

2．嫁接机适用类型

由于瓜类连作障碍问题越来越突出, 蔬菜嫁接技术受到人们的重视。但目前开发出的各蔬菜嫁接机所采用的嫁接方法各异，适应的生产模式单一，适用蔬菜种类不广，还很难做到通过价格和生产率及嫁接成功率进行经济性搭配的程度。目前蔬菜嫁接育苗生产没有统一的标准模式，各种模式之间的育苗基质、育秧钵或盘、播种方法、催芽设施、育秧设施和嫁接苗愈合设施等都不相同，各类嫁接机独特的生产要求很难与不同的模式相吻合，并且，嫁接机的自动化程度越高问题越严重。因此，蔬菜育苗生产模式的不同制约了嫁接机的推广使用。通过以上分析，认为根据我国农村劳动力丰富、农民整体技术水平不高、育苗机械化程度低和经济水平不高的实际国情，我国在研制全自动嫁接机提高嫁接育苗生产率的同时，应大力开发价格低廉、操作简单可靠的小型半自动嫁接机，降低嫁接作业的难度，扩大嫁接育苗技术的推广使用，以适应我国当前蔬菜生产机械化进程的需要。

二．蔬菜嫁接技术

1．蔬菜嫁接方法

图1 蔬菜嫁接方法

2.蔬菜嫁接栽培技术现状

嫁接技术早就广泛应用于园艺植物的繁殖、育种和栽培，而以果树和观赏树木等木本植物为主，在草本植物的蔬菜上则应用较少。随着嫁接技术的发展和完善，其应用范围不断扩大，目前已发展成为番茄、茄子、黄瓜、苦瓜、西瓜等蔬菜抗病、早熟、丰产的一项重要技术措施。早在50年代，日本、荷兰等将嫁接技术应用到蔬菜生产上。据资料显示，1990年日本西瓜、黄瓜、甜瓜、番茄、和茄子栽培面积中有59%是嫁接栽培。我国在20世纪70年代首先在黄瓜生产中应用嫁接技术，80年代嫁接栽培技术逐步完善与配套，已发展到西瓜、茄子、番茄等蔬菜上，并且，嫁接栽培面积逐年扩大，取得了显著的经济效益和社会效益。三．国内外嫁接机的发展现状

1．国外嫁接机技术先进国家的发展现状

日本最早开展蔬菜嫁接机的研发，之后韩国也相继开展了研究，其他国家还没有研究成果报道。

1.1 日本嫁接机的研究与开发

1986年日本农林水产省生物系特定产业技术研究推进机构组织多家公司参与,率先开始研制嫁接机。1987年研制出半自动形式1号试验样机G871。该机采用贴接嫁接法，适用于瓜科蔬菜的嫁接作业,其嫁接成功率为78%～85%。

1989年在1号机的基础上又研制出半自动形式2号试验样机G892。其嫁接成功率达到了90%～98%。

1991年又研制出全自动式3号试验样机G913。该机的嫁接成功率达90%以上。 1994 年日本井关公司同日本生研机构协作推出了商品化GR800B型半自动瓜科嫁接机以及GR800T型半自动茄科嫁接机（见图2A）。嫁接成功率为95%。另外日本村田种苗公司也根据自身育苗生产需要，开发研制出采用专用嫁接夹的半自

动嫁接机，该机同井关公司嫁接机的工作原理类似（见图2B），可进行黄瓜和番茄的嫁接作业，生产率为600～700 株·h-1。

三菱公司根据日本全国农业协同组合联合会的嫁接苗生产模式开发MGM600 型全自动嫁接机（见图2C）。该嫁接机采用套管法，砧木和接穗以单列形式送入嫁接机，切削后的砧木和接穗压合在一起后，使用专用弹性透明套管固定，嫁接苗成活后套管自动脱落。该机适用于茄科蔬菜，生产率可达600 株·h- 1。

1990年日本TGR 研究所以大规模育苗生产系统为目标研制全自动嫁接机，1993年开发出商品化茄科用KGM0128 型嫁接机（见图2D），1995年用于瓜科嫁接作业的嫁接机问世，目前小松公司负责经营销售。该机采用平接法，生产率为1000 株·h-1，嫁接成功率达97%。

日本洋马公司同生研机构协作，1993年开始研制全自动式嫁接机,1994年末AG1000 型全自动嫁接机开始上市销售（见图2E）。嫁接成功率到达97%，但该机只适合于茄科蔬菜嫁接作业，生产率为1000 株·h-1。

为降低大型嫁接机的造价，洋马公司于2003年推出了体积较小，操作方便的T600 型半自动化瓜科嫁接机（见图2F）。该机生产率可达600 株·h- 1，嫁接成功率为98%。

图2 日本几种蔬菜嫁接机

上世纪90 年代末，日本大阪府立大学开发研究了“plug- in”嫁接装置。1999年大阪府立农林技术中心开发出纯手工作业的简易嫁接器具TK-WH（TK-WD），由日本MARK 公司经销，该器具采用劈接法，适用于茄子、番茄等蔬菜的嫁接作业，由砧木切削器和接穗切削器两个独立部分构成（见图3），完成切削的砧木

和接穗用嫁接夹固定在一起。

图3 简易嫁接器

1.2 韩国嫁接机的研究与开发

上世纪90 年代初，韩国也开始研究嫁接机，开发出采用靠接法的小型半自动式嫁接机（见图4）。该机采用凸轮传递动力，分别完成砧木夹持、接穗夹持、砧木和接穗切削和对插4 个动作，最高生产率为310 株·h-1，嫁接成功率为90%。由于结构简单，操作方便，成本低廉，在韩国、日本和我国有一定销量，但是由于采用靠接法嫁接，推广使用受到限制。

图4 韩国半自动嫁接机

继半自动式嫁接机之后，韩国Idealsystem 公司开发出针式全自动嫁接机，该机采用防回转五角形陶瓷针作为砧木和接穗的固定物，利用穴盘整盘上砧木和接穗苗，操作方便，作业速度快，生产韩国半自动嫁接机率可达1 200 株·h-1，适合茄科蔬菜的嫁接作业。

2．国内嫁接机的发展现状

2.1 2JSZ- 600 型蔬菜自动嫁接机

中国农业大学张铁中教授率先在国内开展蔬菜嫁接机的研究，1998 年成功

研究制出2JSZ- 600 型蔬菜自动嫁接机（见图5）。该嫁接机采用单子叶贴接法，实现了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夹固定、排苗作业的自动化。该机嫁接作业时砧木可直接带土团进行嫁接，生产率为600 株·h- 1，嫁接成功率高达95%，可进行黄瓜、西瓜、甜瓜等瓜菜苗的自动化嫁接作业。

图5 中国农业大学开发的嫁接机

2.2 2JC-350 型插接式自动嫁接机

2005 年东北农业大学研制出2JC- 350 型插接式自动嫁接机（见图6）。该嫁接机采用人工上砧木和接穗苗，通过机械式凸轮传递动力，可完成砧木夹持、砧木生长点切除、砧木打孔、接穗夹持、接穗切削以及接穗和砧木对接动作。该机结构简单、成本低，操作方便，生产率为350 株·h- 1。经改进目前生产率已达500 株·h- 1。由于采用插接法进行机械嫁接，不需嫁接夹等夹持物。适用黄瓜、甜瓜和西瓜的嫁接作业，嫁接成功率达93%。

图6 东北大学开发的嫁接机

3.国内外嫁接机的价格与性能比较分析

价格、生产率和嫁接成功率是三个主要参数指标。日本农林水产省蔬菜茶叶研究所从1980 年开始每隔10 年对日本蔬菜嫁接育苗生产进行一次调查，根据2000 年最新调查结果，52%的蔬菜嫁接育苗生产者对嫁接机的价格表示不易接

受，希望开发价格低、操作简单的嫁接育苗设备，因此价格是嫁接机最重要的指标。日本嫁接机一般自动化程度较高，这导致嫁接机的价格过高，如日本小松公司的全自动嫁接机自动化程度最高，价格也最高，达到196 万元人民币；井关公司半自动化嫁接机的价格为49 万人民币。一般嫁接机不能同时适应瓜科和茄科蔬菜嫁接，并且嫁接育苗非全年作业，嫁接机完成嫁接育苗后即成为闲置设备，因此如此高的价格很难被农民所接受，小松公司的全自动嫁接机从1993 年开始销售到2000 年，仅售出4 套，井关公司的嫁接机销量较好，在同比时期国内外销售量也仅在100 台左右。相比而言，韩国的小型半自动嫁接机，结构简单，其价格只有3000元人民币左右，仅在1992～1995年韩国国内就销售约1000台，日本销售250台。据此，2004年洋马公司开发出小型、半自动的T600 型嫁接机，价格在35万元人民币。另外，日本又推出了TK-WH 型手动嫁接器具。

嫁接机的生产率同其自动化程度有关，全自动嫁接机生产率高，半自动嫁接机生产率低。嫁接机的嫁接成功率全自动略高于半自动，因为机械作业的准确性要好于人工作业；但是，自动化程度越高，嫁接机的嫁接成功率同嫁接用苗的标准化程度的关系就越密切，即只有在提供的嫁接用砧木和接穗的几何尺寸达到标准、均一的条件下，嫁接机才可保证有较高的嫁接成功率。这样即会对操作人员有较高要求，需要专业人员操作，不能实现普通用户的操作使用。而价格低廉、操作简单可靠的小型半自动嫁接机，会大大降低嫁接作业的操作难度，更适合普通用户使用，增大推广范围。

通过以上分析比较，根据我国农村劳动力丰富、农民整体技术水平不高、育苗机械化程度低和经济水平不高的实际国情，我国在研制全自动嫁接机提高嫁接育苗生产率的同时，应大力开发价格低廉、操作简单可靠的小型半自动嫁接机，降低嫁接作业的难度，扩大嫁接育苗技术的推广使用，以适应我国当前蔬菜生产机械化进程的需要。

四.双臂蔬菜嫁接机设计与试验

经过对国内外的蔬菜嫁接机发展现状的调查发现：日本、韩国等国对蔬菜嫁接机研究较多,并已应用于实际蔬菜育苗生产中,但这些嫁接机价格昂贵,非一般农户和中小育苗中心所能承受,不适合我国目前蔬菜生产工厂化、集约化程度不高的状况。在我国,自1998年中国农业大学研制出2J SZ2600 型单臂嫁接机以来,

不少研究机构进行过蔬菜自动嫁接机械装置的研究。据报道,目前国内蔬菜嫁接机的嫁接速度在310 ～600 株/ h不等,一般需要2～3 人配合操作,人均工作效率仍然较低,与人工作业速度(120 株/ h) 相比没有明显优势。因此,在2J SZ2600型单臂嫁接机结构基础上,研制开发一种成本增幅不高、效率较高的双臂蔬菜自动嫁接机。

1.双臂嫁接机系统结构和工作原理

双臂嫁接机主要由砧穗木供苗台、搬运机构、切削机构以及送夹机构、排苗机构等组成,如图7所示。与单臂嫁接机相比最大的特点在于其砧、穗木搬运机构采用对称分布、安装方向相反的双工位机械手臂结构,使2 组砧、穗木手臂在2 个工位上能同时工作,从而提高嫁接效率。

图7 双臂嫁接机

1. 砧木供苗台

2. 砧木搬运机构

3. 切削机构

4. 送夹机构

5. 穗木搬运机构

6. 穗木供苗台

7. 落苗口

8. 传送带

工作过程如下图所示: ①操作人员将砧、穗木幼苗分别放在相应的供苗台上,当传感器检测到砧、穗木苗都送到位以后,供苗台上的定位爪夹合将苗固定。

②砧、穗木手臂1 同时伸出,夹持住相应的苗株(图8a) ,各供苗台上的定位爪松开,砧、穗木手臂1同时缩回并旋转180°到达切削位置。③切削机构旋转180°,同时完成砧、穗木苗切削(图8b) 。④砧、穗木手臂1 再次同时伸出,使砧、穗木苗的两切削面刚好贴合在一起。⑤送夹机构送出嫁接夹,夹持住砧、穗木苗的结合部位。⑥砧、穗木手臂1 同时松开苗株并缩回,嫁接苗经工作台面上的落苗口落下,由传送带送出,1 株苗嫁接完毕。⑦砧、穗木手臂1 反向旋转180°,回到初

始预备取苗位置即完成一个嫁接循环。

图8 嫁接作业过程示意图

在上述砧、穗木手臂1 嫁接过程中,从第4 步开始,砧、穗木手臂2 也开始进行嫁接工作:在第4 步中,砧、穗木手臂2 伸出,准备抓取供苗台上的苗株(图8c) ;在第6 步中,砧、穗木手臂2 抓取苗株并缩回;在第7 步中,砧、穗木手臂2 旋转180°到达切削位置。即手臂1 和手臂2 的嫁接过程在时间上有重叠,在手臂1 嫁接任务还没有完成时,手臂2 就开始新的嫁接任务,其作业时序如图3 所示,图中双箭头线代表完成1 株苗嫁接所需的时间。

图9 两组手臂的作业时序图

下面对双臂嫁接机的理论嫁接速度进行分析,并与2J SZ2600 型单臂嫁接机进行比较。设单臂嫁接机一个工作循环(嫁接1 株苗) 所需时间为t1 ,当嫁接苗的总数为n 时,所需嫁接时间

T1 = t1n （1）

双臂嫁接机由于其两组手臂共用供苗台、切削机构和送夹机构, 因此两组手臂在工作过程中有相互等待的时间段,根据嫁接工艺要求,在手臂1 和手臂2 嫁接两

株苗的过程中, 等待时间为总嫁接时间的1/ 4 ,即两组手臂并行工作的时间是总嫁接时间的3/ 4 。设双臂嫁接机一个工作循环所需的时间为t2 ,则有

t2 = t1 +1/4 t2 （2）

即t2 =4/3t1 （3）

当嫁接苗的总数为n 时,双臂嫁接机所需的嫁接时间(为计算方便,假定两组机械臂起始作业的时间相差t1/ 2)

T2 =t1/2+ （n – 1）/2t2 +t1/2=（2 n + 1）/3t1 （4）

两种嫁接机的嫁接速度v m1 、v m2之比

vm2/vm1=T1/T2=3 n/（2 n + 1）（5）

则有 lim n →∞vm2/vm1= 1.5 （6）

因此,当嫁接作业量很大时,双臂嫁接机的理论嫁接速度是单臂嫁接机的1、5倍。

2.关键机构设计和主要参数确定

2.1 切削机构

切削机构在借鉴单臂嫁接机旋转切削刀架结构[10 ]的基础上,针对单臂嫁接机切削机构在实际生产中存在的切削效果不理想、嫁接苗成活率低等问题,在切削角度、切削半径和切削位置上进行了优化,设计出双臂嫁接机的切削机构。与单臂嫁接机采用相同的砧、穗木苗切削角（α=β1 = 30°）方案（图4a）不同,考虑到穗木苗胚轴径很细（胚轴直径d 平均约2 mm）,与砧木苗轴径(平均约4 mm)差异较大,因此在设计时砧木切削角α取30°,而穗木切削角β2 取20°,这样就将穗木苗切削面的长度由

l1 = d/ sinβ1=2/ sin30°= 4 mm (7)

增长到l2 =d/ sinβ=2/ sin20°≈5.8 mm （8）

使得砧、穗木苗的有效贴合面长度增大118 mm, 从而可以较好解决原机构穗木苗切削面过短,砧、穗木苗贴合面小,影响嫁接苗成活率的问题。采用不同切削角虽然导致两切削面在自然状态下不能很好吻合,但在送苗手爪和固定夹的外力作用下,使穗木切削部位产生一个微小的变形, 使之仍能与砧木切削面紧紧贴合在一起,如图4b 所示。

图10 穗木苗切削尺寸与砧穗木苗贴合情况对照示意图

(a)原机构方案(b) 本机构方案

由于采用旋转切削方式, 切削半径对砧、穗木苗切削面平面度的影响很大。切削半径越大, 切刀轨迹越近似于直线,切削面质量越理想,但切削半径过大,会使送苗行程变长, 影响嫁接效率, 并且导致整机结构庞大;反之, 若切削半径过小, 切刀轨迹则呈弧线,又不利于切削面的吻合。同时,切削半径还影响着切削速度,在旋转气缸角速度ω一定的情况下,切削半径越大切削速度越快, 切削效果越好, 穗木苗由于其茎秆更为纤细, 要实现良好切削需要足够的切削速度。因此在综合考虑砧、穗木苗不同切削角、切削速度的要求和送苗机构相关结构的基础上,确定砧、穗木苗切削半径分别为50 、70 mm。根据切削角和切削半径,确定砧、穗木苗的切削点O1 、O2 与旋切中心O 之间的关系如图5 所示。旋转切刀初始处于与垂直线呈θ1 角的位置上(与直线A C 重合) ,以点O 为中心作180°的顺时针旋转。砧木切刀从初始位置点A 转过θ2 角在点O1 处将砧木生长点和一片子叶切掉,穗木切刀从点C 转过θ3 角在点O2 处实现对穗木的切削。设计中取θ1 = 40°,由于α= 30°,β= 20°,因此

θ2 =θ1 + (90°- α) = 100 （9）

θ3 = 180°- β- (90°- θ1) = 110 （10）

图11 砧、穗木苗切削位置与旋切中心之间的关系示意图

当旋转气缸的转速ω= N 时, 砧、穗木苗的切削速度

v1 = lOAω=0.1πN/60 （11）

v2 = lOCω=0.14πN/60 (12)

式中lOA ———线段OA 的长度

lOC ———线段OC 的长度

旋转气缸的转速ω影响着砧、穗木苗的切削效果,因此,需要通过试验选择合适的气缸转速。

2.2 搬运机构

搬运机构是双臂嫁接机实现双工位高速作业的重要组成部分,采用对称分布、安装方向相反的两组相同的机械手臂结构。其中砧木搬运机构如图12所示,由沿水平直线L L′对称安装的手臂1 、2 组成,使得在两个工位上能同时工作, 即手臂1 在点P1 取苗的同时,手臂2 在点P2 完成砧、穗木苗的接合作业。手臂1 、2 由夹持手爪、子叶支撑、手爪连接件、直动气缸和手臂连接板组成, 通过手臂连接板固连在手臂连接块上, 手臂连接块通过中心孔固连在旋转气缸上,从而带动整个搬运机构实现180°的旋转运动。穗木搬运机构的结构与砧木搬运机构类似。

根据砧、穗木切削点O1 、O2 和两者结合点间的位置关系,砧木搬运机构选用50 mm 行程的直动气缸,与水平线呈30°角安装; 穗木搬运机构选用70 mm行程的直动气缸, 与水平线呈20°角安装。砧、穗木搬运机构的最大回转半径分别为180 、200 mm。为了保证手臂1 的夹持手爪在旋转180°后与手臂2 的夹持手爪原来所处的位置精确重合(同时手臂2 的夹持手爪与手臂1 的夹持手爪原来所处的位置重合) ,旋转马达和手臂连接块这2 个部件非常重要。

图12 砧木搬运机构简图

根据砧、穗木切削点O1 、O2 和两者结合点间的位置关系,砧木搬运机构选用50 mm 行程的直动气缸,与水平线呈30°角安装; 穗木搬运机构选用70 mm行程的直动气缸, 与水平线呈20°角安装。砧、穗木搬运机构的最大回转半径分别为180 、200 mm。为了保证手臂1 的夹持手爪在旋转180°后与手臂2 的夹持手爪原来所处的位置精确重合(同时手臂2 的夹持手爪与手臂1 的夹持手爪原来所处的位置重合) ,旋转马达和手臂连接块这2 个部件非常重要。

图12 手爪偏移示意图

根据搬运机构对旋转角度、轴向受力和转动扭矩等要求, 旋转马达选用SMC CRBU2WU302180S型精密摆动气缸,其摆角误差通过调整可保持在011°范围内,因此即便当砧、穗木搬运机构处于最大回转半径时,手爪中心在水平面内的最大偏差也不超过013 mm,能够满足手爪在取苗和贴合位置的精度要求。由于手臂1 、2 通过螺钉紧固在手臂连接块的两侧面, 手爪开口处在竖直方向上距离螺钉孔中心又较远, 则很容易以螺钉孔为中心向外偏离, 而手臂的微小偏角都会导致手爪夹持中心产生较大的位移。如图7 所示, 手臂连接板的理想位置为OM所示的竖

直直线, 手爪开口中心的理想位置为点N , 当产生微小偏移角α时,手臂连接板偏移到OM′所示的直线上, 手爪开口中心偏移到点N′,手爪开口中心在水平和垂直方向上的偏移量分别为Δx 和Δy ,则

式中x ——点N 与螺钉孔中心O 在水平方向上的距离,取11 mm

y ——点N 与螺钉孔中心O 在竖直方向上的距离,取值由手臂连接块的结构确定。

由于整个手臂的质量由旋转马达的轴向力承担,希望手臂尽可能轻,因此最初采用方案1 (图13a)所示的手臂连接块, 其厚度为18 mm, 此时y =120 mm。当偏移角α= 0.5°(实测时发现,各手臂板向外张开的角度不同, 但最大不超过015°, 这里用极限值进行计算) 时, 由式(13) 、式(14) 可得Δx≈1.1 mm,Δy ≈0.1 mm,可见在水平方向上的偏移量较大,不能满足手爪在取苗和贴合位置的精度要求。因此,最终采用方案2 (图13b) 所示的手臂连接块,此时的偏移中心就变成上螺钉孔O′,取两螺钉孔之间的距离L = 55 mm, 此时y = 65 mm, 当偏移角α=0.5°时,Δx ≈0.56 mm,Δy≈0.09 mm,经试验该精度能够满足嫁接精度要求。由于手臂连接块做成空心结构,虽然其厚度增加了47 mm,但质量只增加了约0.15 kg。整个手臂的质量约为1.76 kg ,手臂所受重力小于旋转马达25 N 的轴向允许负载。

图13 手臂连接块示意图

(a) 方案1 (b) 方案2

1 、3. 螺钉孔

2 、4. 紧固孔 5 、6. 旋转马达连接孔

3.性能试验与分析

为了测试双臂嫁接机的嫁接速度、嫁接成功率、嫁接苗的成活率以及对嫁接苗的适应性等主要性能指标,分别进行了测试试验。

3.1 试验材料

试验用砧木选用云南黑籽南瓜苗,穗木选用黄瓜苗。为检测机器对不同品种黄瓜苗的适应性, 试验分3 组进行,穗木苗分别选用冬春茬温室栽培普遍采用的津春3 号、中农13 号和山东密刺3 种。在砧木苗第1 片真叶初露, 穗木苗第1 片真叶刚刚展开时进行嫁接。砧、穗木苗的基本参数如表1 所示,其中的数据为平均值,括号里的数据为标准差。

3.2 切削机构性能试验

实现砧、穗木苗的正常切削(砧木苗呈30°切削角完全切除生长点和一片子叶,穗木苗呈20°切削角完全切断胚轴) 是嫁接成功的首要条件。由于嫁接苗特别是穗木苗的茎秆很细,刚性不佳,当切刀的切削速度过低时,苗株被切刀碰击后很容易向后弯曲,不能被完全切断,而且切面的形状也不规则。因此切削速度对切削效果影响很大。不同切削速度对切削成功率(实现正常切削的苗占总嫁接苗的比率)的影响结果如表2 所示,其中每种切削速度下砧、穗木苗样本各30 株,穗木都采用津春3 号黄瓜苗。

由表2 可见,当切削气缸转速ω= 210 r/ min ,即砧、穗木的切削速度v1 = 1110 m/ s、v2 = 1.54 m/ s时,砧、穗木苗的切削成功率均能达到最高。虽然ω> 210 r/ min 时,砧、穗木苗的切削成功率也达到最高,但考虑到转速增大,旋转气缸的输出功率和扭矩都减小,故选用210 r/ min 的转速,以获得最好的

切削效果。

3.3 嫁接速度

在嫁接机正常运转状态下,操作人员连续往砧、穗木供苗台上放苗,记录从第一次取苗到最后一棵苗排出所用的时间,所得数据如表3 所示。为尽量减少由于操作人员供苗熟练程度不同对嫁接速度的影响,3 组试验采用不同的操作人员。

由表3可见,该机平均嫁接速度为854 株/ h ,与2J SZ2600 型单臂嫁接机(速度为600 株/ h) 相比,实际嫁接工作效率提高了4213 % ,比理论计算值50%

稍低,但即便以该提高率计算,1 工作日(以8 h 计算) 的嫁接量就多出2000余株,相当于1名熟练工人2工作日的嫁接工作量,效益相当可观。

3.4 嫁接成功率

观察3.3 节嫁接速度试验中嫁接苗的切削和贴合情况,若砧、穗木苗能正常切削,同时两切削面的贴合度(砧、穗木苗切削面的贴合面积与穗木苗切削面的比值) 达90 %以上,就认为是嫁接成功。统计嫁接成功的苗株棵数,记录嫁接失败的原因,试验数据如表4 所示。

由表4 可知, 3 组试验的嫁接成功率平均为86.7 % ,比2J SZ2600 型单臂嫁接机90 %的嫁接成功率低。嫁接的失败主要原因有砧、穗木苗没能按要求切削,切削面的吻合度不合要求以及苗株轴径夹伤等。试验中发现,当砧木苗子叶展开角θ> 90°时,砧木苗生长点不能被完全切除,而当θ< 35°,又会产生将砧木苗冠部全部切掉的过度切削现象;穗木苗胚轴径d < 116 mm 时,穗木苗太软易弯曲,切削点以下不能被很好切除。针对砧、穗木切削不完全的问题,进行了机构改进设计,在切削点处加上切削支撑,如图9 所示。改进后可使展开角θ在90°～100°之间的砧木苗和胚轴径d 在1.5～1.6 mm 的穗木苗实现良好切削。而针对砧木苗过度切削的问题,尚没有较好的解决方案,因此该嫁接机不适用于砧木苗子叶展开角θ< 35°的应用场合。另外当机器长时间连续工作,刀刃上沾满液汁和尘土时,也会影响切削效果,因此应定期清洗切刀刀片。

通过机构改进和调整,再次进行试验,3 组试验的嫁接成功率分别为91 %、90 %和91 % , 平均为90.7 % ,达到与2J SZ2600 型嫁接机相同的水平。

3.5 嫁接成活率

从3.4 节试验的3 组嫁接苗中选取嫁接成功的苗各50 株,另取用2JSZ2600 型嫁接机嫁接成功的苗50 株进行嫁接成活率对比试验。试验在小拱棚内进行,前3d 避光,温度保持在白天25～30 ℃,夜间18～22 ℃,相对湿度保持95 %以上;3 d 后开始放风,逐渐降低温、湿度,白天控制在22～25 ℃,相对湿度降低到70 %～80 %,逐渐增加光照时间,第10 d开始接受日光光照,第15 d 时观察嫁接苗

的成活情况,数据如表5所示。

由表5可见,3组试验的嫁接成活率平均为93.3 % ,高于2J SZ2600 型嫁接机,说明砧、穗木苗采用不同切削角(砧木30°,穗木20°) 的切削方案有利于提高嫁接成活率。

3.6 对嫁接用苗的适应性

由表1 和表3～5 可见,尽管3 组试验采用的穗木苗不同,但嫁接速度、成功率和成活率基本相同,因此该机适用于基本几何尺寸满足表6 所示的葫芦科蔬菜幼苗的嫁接作业。

4 结论

(1)采用对称分布、安装方向相反的双向式机械手臂结构,使两组手臂同时工作,

完成不同的工作步骤,能明显提高嫁接机的嫁接速度,与2J SZ2600 型单臂嫁接机相比,嫁接速度提高了42.3 %.

(2)双臂嫁接机在嫁接成功率上达到了与单臂嫁接机相同的水平。

(3)砧木、穗木苗分别采用30°、20°切削角的切削方案有利于提高嫁接苗的成

活率,与砧、穗木苗都采用30°切削角相比,成活率提高3.3 %。

参考文献

[1] 王宗亮. 自动化嫁接技术和蔬菜嫁接机[J]. 市场纵横, 2003(8): 31.

[2] 张铁中. 蔬菜自动嫁接技术研究[J ] . 中国农业大学学报,1996 ,1 (6) :30 33

[3] 常康. 台湾番茄嫁接机械化技术[J ] . 台湾农业探索,2004 (2) :33

[4] 罗辉. 双臂嫁接机及其仿真系统的研究[D] . 北京:中国农业大学,2003

[5] 张铁中,徐丽明. 大有前景的蔬菜自动嫁接机器人技术[J ] . 机器人技术与

应用,2001 ,6 (2) :14 15

[6] 张品端. 日本的蔬菜嫁接机器人[J ] . 机器人技术与应用,1997 (5) :11 14

[7] 张铁中. 蔬菜自动嫁接技术研究———嫁接装置的结构设计与试验[J ] .

中国农业大学学报, 1996 ,1 (6) :30～33.

[8] 张铁中,徐丽明. 蔬菜自动嫁接技术研究———生长点切除机构的优化设计[J ]. 中国农业大学学报, 1997 ,2 (6) :63～65.